تاثير سرباره هاي کوره بلند و سرب به عنوان ماسه بر نفوذپذيري بتن

چكيدهاستفاده از پوزولان در دهه هاي اخير بطور گسترده اي در سطح جهان افزايش يافته است. از اثرات مثبت استفاده از سرباره در بتن به عنوان بخشي از سنگدانه يا سيمان مي توان افزايش مقاومت، چگالي، دوام، مقاومت در برابر محيط قليايي و شرايط يخبندان و کاهش نفوذپذيري را نام برد. با توجه به وجود مقادير بسيار زياد سرباره هاي انباشت شده در کارخانجات آهن و سرب و اثر منفي دپوي اين سرباره ها بر محيط زيست، همچنين محدود بودن مصالح سنگي طبيعي و استفاده بهينه از امکانات، استفاده از اين سرباره ها در صنعت ساختمان ضروري مي باشد.سوالات تحقيق:در اين تحقيق، اثر جايگزيني 30% از اين سرباره ها با ماسه بر کارايي، مقاومت فشاري و نفوذپذيري در برابر آب تحت فشار بررسي شده است.روش تحقیق:نمونه ها در قالبهای مکعبی ریخته و متراکم شدند. بعد از قالب گیری، نمونه ها با صفحات نایلونی خیس پوشانده شدند و به مدت 24 ساعت در دمای آزمایشگاه نگهداری شدند. بعد از قالب برداری، نمونه ها در حمام آب تا زمان آزمایش قرار داده شدند. کل نمونه ها 24 ساعت قبل آزمایش در آون با دمای 5±150 سانتی گراد خشک شدند. مقاومت فشاری در سنین 14، 28 و 56 روز و آزمایش نفوذپذیری آب در سنین 28 و 56 روز انجام شدند.نتیجه گیری:نتايج نشان مي دهد که جایگزینی ماسه با سرباره کوره بلند در بتن کارايي و نفوذپذيري کاهش و مقاومت فشاري افزايش مي يابد. همچنين وجود سرباره سرب در بتن کارايي، نفوذپذيري و مقاومت را کاهش مي دهد.كلمات كليدي: بتن، سرباره سرب، سرباره کوره بلند آهنگدازي، مقاومت فشاري، نفوذپذيري1.مقدمهبتن يکي از مهمترين مصالح سازه اي مصرفي در جهان مي باشد که به دليل پايايي و قيمت مناسب در محيط هاي دريايي و آبي بکار مي رود. اما در بعضي از موارد به دليل طراحي ضعيف، ضعف در اجرا، کيفيت نامرغوب مصالح و شرايط محيطي لحاظ نشده در طراحي و يا ترکيبي از اين عوامل، سازه بتن آرمه ساخته شده، کارايي و دوام مورد نظر را در دوره عمر مفيد خود نخواهد داشت. امروزه پايداري و کارايي منابع در صنعت ساخت بطور گسترده اي به مسائل مهم تبديل شده اند و تغيير نگرش به سمت مصالح ثانويه تحقيقات را به منظور استفاده از پوزولانهايي به مانند سرباره هاي حاصل از کارخانجات فلز به عنوان سنگدانه بتني تقويت مي کند. سنگدانه، در کنار سيمان و آب، از آنجايي که حجمي در حدود 55% تا 80% بتن را اشغال مي کند، يکي از مهمترين اجزاي بتن را تشکيل ميدهد. افزايش سريع مصرف سنگدانه هاي طبيعي هر ساله به علت افزايش صنعت ساخت و ساز در جهان بدين معني است که مخازن سنگدانه، بويژه در مناطق کويري، بسرعت در حال کاهش مي باشد. گزارش شده است که بدون سنگدانه هاي دائمي مناسب که در آينده نزديک استفاده شوند، بطور کلي صنعت بتن ساليانه 8 تا 12 بيليون تن سنگدانه بعد از سال 2010 مصرف خواهد کرد. چنين مصرف زيادي از سنگدانه هاي طبيعي منجر به تخريب محيط زيست مي شود. بنابراين ضروري است که با بررسي امکان استفاده از مصالح زايد و جانبي صنعتي، جايگزين دائمي براي سنگدانه هاي طبيعي در ساخت بتن پيدا شود و مورد بهره برداري قرار گيرد. اين عمل منجر به طراحي بتن پايدار و محيط سبز خواهد شد (2،4،5).يکي از مهمترين پارامترهاي بتن که دوام آنرا تحت تاثير قرار ميدهد، نفوذپذيري آن مي باشد. هر چقدر نفوذپذيري بتني کمتر باشد، دوام و پايايي بيشتري در برابر نفوذ يون کلر، حمله سولفاتها و بطور کلي آبهاي مهاجم دارد. که از مهمترين نتايج آن کاهش خوردگي ميلگرد و افزايش عمر مفيد سازه مي باشد. بدين منظور بررسي مواد افزودني که بتواند باعث کاهش اين اثر تخريبي شود، بسيار اهميت دارد. در اين تحقيق، از سرباره هاي کوره بلند آهنگدازي و سرب به عنوان ماده پوزولاني جايگزين ماسه در بتن استفاده شده است.مطالعات زيادي براي ارزيابي مصرف سرباره کوره بلند در مخلوط هاي بتني انجام شده است، تحقيقات کمي با احتساب کاربرد سرباره سرب در بتن انجام شده است. ثابت شده است کاربرد سرباره در مخلوط هاي بتني در حل برخي از مشکلاتي که صنعت بتن با آن درگير است مفيد باشد. بعضي از سرباره ها براي بهبود خواص مکانيکي، فيزيکي و شيميايي در بتن معمولي بکار مي رود. سرباره، محصول جانبي فرآيندهاي توليد فلز، ده ها سال است که در پروژه هاي مهندسي عمران استفاده مي شود (3،9).استاندارد ASTM C33 الزامات لازم براي استفاده سرباره کوره بلند به عنوان سنگدانه را در بتن فراهم مي آورد، در حاليکه هيچ گونه استانداردي براي استفاده ساير سرباره ها در بتن وجود ندارد.تحقيقات مختلف نشان ميدهد که با استفاده از سرباره کوره بلند (GGBFS) در بتن، خواص دوامي بتنها حتي در محيط هاي خورنده و مهاجم بهبود مي يابد. برخي از نتايجي که اين تحقيقات گزارش کرده اند شامل افزايش کارايي، چگالي، مقاومت فشاري، کششي و خمشي، UPV، اصلاح ساختار حفرات و کاهش نفوذپذيري يون کلر، آب انداختگي، نفوذپذيري آب، جمع شدگي خشک و گيرش بتن مي باشند (1،2،6).همچنين شواهد نشان ميدهد که در کشورهاي پيشرفته از سرباره سرب به وفور به عنوان مصالح اوليه در ساخت جاده، توليد باتري، و به عنوان بخشي از سنگدانه يا سيمان در توليد بتن استفاده مي شود. از طرفي سرباره سرب ثانويه، محصول زايد از ذوب باتري به عنوان افزودني و يا سنگدانه در توليد بلوک هاي بتني بکار مي رود. مطالعات نشان ميدهد که مقاومت فشاري بتنهاي با سرباره سرب بالاتر از نمونه هاي بدون سرباره مي باشد که با افزايش ميزان سرباره و سن بتن افزايش مي يابد. از آنجايي که اکسيدهاي موجود در سرباره سرب مشابه سيمان پرتلند هستند، کاربرد سرباره در مصالح ساختماني بسيار موثر مي باشد (7،8).هدف از اين تحقيق بررسي دوام بتنهاي حاوي سرباره کوره بلند و سرب از جنبه نفوذپذيري آب مي باشد. براي اين منظور از روش نفوذپذيري آب تحت فشار طبق استاندارد بريتانيا استفاده شده است.مصالح مصرفيدر ساخت مخلوط هاي بتني، از سيمان پرتلند پوزولاني (PPC) محصول کارخانه سيمان اردبيل استفاده گرديد. سرباره کوره بلند (GGBFS) از کارخانه ذوب آهن اردبيل و سرباره سرب (LS) از شرکت ملي سرب و روي ايران واقع در زنجان تهيه شد. ترکيب شيميايي PPC، GGBFS و LS بکار رفته در اين تحقيق در جدول 1 ارائه شده است.جدول 1- ترکيب شيميايي PPC، GGBFS، سرباره سرب (LS)عناصر فلزي که در جدول شيميايي عناصر به صورت Total گزارش شده اند در سرباره به ضورت هاي مختلف اکسيدي و ترکيبي مي باشند.سنگدانه درشت مصرفي از نوع شکسته با اندازه اسمي حداکثر 25 ميليمتر مي باشد و از نظر دانه بندي، مشخصات استاندارد ASTM C33 را برآورده مي سازد. ريزدانه از ماسه طبيعي کوهي و سرباره هاي کوره بلند و سرب با حداکثر اندازه دانه 5 ميليمتر مي باشد که از نظر دانه بندي با استاندارد ASTM C33 همخواني ندارند ولي اين ريزدانه ها در محدوده استاندارد BS 882 قرار دارند. جدول 2 نتايج دانه بندي سنگدانه درشت و جدول 3 نتايج دانه بندي ماسه طبيعي، GGBFS و LS را نشان ميدهد.جدول 2- دانه بندي سنگدانه هاي درشتجدول 3- دانه بندي سنگدانه هاي ريز*سنگدانه طبيعي **سنگدانه شکسته NA: مشخص نشدهخواص فيزيکي سنگدانه درشت، ماسه و سرباره ها در جدول 4 ارائه شده است. مدول نرمي ماسه، GGBFS و LS بترتيب برابر 3.61، 3.13 و 2.57 هستند. وزن مخصوص ماسه و سرباره ها با استفاده از استاندارد ASTM C127 اندازه گيري شده اند. کليه آزمايشهاي انجام شده بر روي مصالح براساس استانداردهاي مربوطه در ASTM اندازه گيري شده اند. براي بهبود کارايي بتن، از فوق روان کننده نوع پلي نفتالن سولفونات استفاده شده است.جدول 4- خواص فيزيکي سنگدانه هاي درشت، ريز و سرباره هابرنامه آزمايشگاهيجزئيات نسبت هاي اختلاط مخلوط هاي بتني در جدول 5 ارائه شده است. مقدار سيمان پرتلند بکار رفته در مخلوط 400 کيلوگرم در مترمکعب مي باشد. بتن کنترل با علامت CC مشخص شده است. سرباره ها به مقدار وزني 30% جايگزين ماسه شده اند. در کليه مخلوط ها نسبت آب به سيمان 4/0 و نسبت فوق روان کننده به سيمان 5/1% وزني سيمان مي باشد. پس از وزن نمودن، اجزاي بتن بطور دستي مخلوط شدند. سنگدانه ها و سيمان به مدت 1 دقيقه مخلوط شدند و بعد از اضافه کردن آب و هم زدن مخلوط به مدت 2 دقيقه فوق روان کننده به آن اضافه شد و به مدت 1 دقيقه ديگر اختلاط ادامه يافت. بعد از قالب گيري نمونه ها به وسيله ميز ويبره متراکم گرديدند. نمونه ها بعد از 24 ساعت از قالب بيرون آورده شدند. سپس نمونه هاي بتني در آب قرار گرفتند. کليه نمونه ها قبل از آزمايش به مدت 24 ساعت در آون با دماي 5±105 درجه سانتيگراد قرار گرفتند.جدول5- ترکيب نسبت اختلاط بتن با 30% سربارهبراي تعيين مقاومت فشاري 9 نمونه مکعبي 150 ميليمتري براي هر مخلوط قالب گيري شد، سپس در سنين 14، 28 و 56 روز آزمايش شدند. در هر سن، 3 نمونه انتخاب و در شرايط خشک شده در آون طبق استاندارد 116 بخش: BS 1881 با سرعت بارگذاري kN/s 5/2 آزمايش انجام شد. همچنين 6 نمونه مکعبي 150 ميليمتري براي هر مخلوط براي آزمايش نفوذپذيري آب با فشار در سنين 28 و 56 روز تهيه شدند. در هر سن، 3 نمونه انتخاب و در شرايط خشک شده در آون با استفاده از استاندارد BS EN 12390-8 براي تعيين نفوذپذيري آب در بتن تحت فشار با دستگاه ساخت شرکت Tecnotest آزمايش شدند. براي اين منظور فشار kPa 50±500 به مدت 2±72 ساعت بر وسط نمونه ها اعمال گرديد و بزرگترين عمق نفوذ آب به ميليمتر اندازه گيري شده است. ميانگين سه نتيجه آزمايشي در اين مطالعه گزارش مي شود. آزمايش اسلامپ بر روي بتن تر نيز براساس ASTM C143 انجام شده است.نتايج و تحليل4-1- کاراييشکل 1 اسلامپ مخلوط هاي بتني را نشان ميدهد. واضح است که بتن کنترل بيشترين اسلامپ را دارد. در حاليکه، بتنهاي حاوي سرباره ها اسلامپ کمتري دارند. ميتوان نتيجه گرفت که کارايي بتنهاي ساخته شده با سرباره کاهش مي يابد. اين بدين دليل است که سرباره ها نسبت به ماسه داراي بافت خشن با خلل و فرج سطحي هستند.شکل 1- تاثير 30% سرباره جايگزين ماسه بر کارايي 4-2- مقاومت فشارينتايج آزمايش مقاومت فشاري مخلوط ها در سنين 14، 28 و 56 روز در شکل 2 ارائه شده است. مقاومت فشاري نمونه هاي GC نسبت به نمونه هاي CC در سنين 14، 28 و 56 روز بترتيب به ميزان 55، 67 و 66% افزايش يافت. همچنين ميتوان مشاهده کرد که مقاومت فشاري بتنهاي LC به اندازه 0، 1 و 2% کمتر از بتنهاي CC بترتيب بعد از 14، 28 و 56 روز عمل آوري هستند. جايگزيني ماسه با سرباره کوره بلند مقاومت فشاري 14، 28 و 56 روزه را بترتيب از 18 به 28، 30 و 31 مگاپاسکال افزايش داد. ولي استفاده از سرباره سرب در بتن مقاومت فشاري را در مقايسه با بتن معمولي کاهش مي دهد. بايد توجه شود که جايگزيني ماسه با سرباره سرب تاثير چنداني بر مقاومت فشاري بتن ندارد. بطور کلي ميتوان نتيجه گرفت که کاربرد GGBFS به عنوان سنگدانه در بتن مقاومت فشاري را بطور متوسط در حدود 63% افزايش ميدهد. در حاليکه کاربرد سنگدانه هاي سرباره سرب مقاومت فشاري را بطور متوسط در حدود 1% کاهش ميدهد. مقاومت بتن براي همه ترکيبها با گذشت زمان افزايش مي يابد. سرعت کسب مقاومت در بتن با سرباره آهن بعد از 14 روز شدت ميگيرد در حاليکه بتن با سرباره سرب روند يکنواختي به مانند بتن معمولي دارد. اين بدليل تفاوت رفتار پوزولاني اين دو سرباره به علتتفاوت در ساختار شيميايي آنها مي باشد. سرباره سرب بمراتب خاصيت پوزولاني کمتري نسبت به سرباره آهن دارد.شکل 3- نفوذپذيري بتن هاي حاوي %30 سربارهنتيجه گيريبا استفاده از يافته هاي اين مطالعه نتايج زير بدست مي آيد:- کارايي بتنهاي ساخته شده با سرباره هاي کوره بلند و سرب بدليل تاثير فيزيکي ذرات اين سرباره ها در مقايسه با بتن کنترل بسرعت کاهش يافت.- جايگزيني ماسه با GGBFS مقاومت فشاري بتن کنترل را بطور قابل ملاحظه اي در حدود 63% افزايش داد. در حاليکه، مقاومت فشاري بتن LC نزديک به 1% کمتر از بتن معمولي بود.- بتنهاي توليدي بدليل ميزان متوسط نفوذ آب مقاومت متوسطي در برابر حملات شيميايي دارند. افزودن GGBFS و LS مقادير عمق نفوذ آب را در بتن با زمان در مقايسه با بتن کنترل کاهش مي دهد.- نتايج آزمايشهاي انجام گرفته بر روي بتنهاي سرباره اي در مقايسه با بتن معمولي، بيانگر آن است که مقاومت فشاري و عمق نفوذ آب در اين بتنها تفاوت چنداني با نمونه هاي معمولي ندارد. بنابراين ميتوان از اين سرباره ها به عنوان سنگدانه در بتن استفاده کرد.- بايد توجه شود که کار تحقيقاتي بيشتري براي بررسي اثر سرباره هاي آهن و سرب توليدي در ايران به عنوان سنگدانه ريز بر خواص بتن با تغيير در نوع سيمان، عيار سيمان، ميزان جايگزيني با سنگدانه و درجه نرمي لازم است.مرجع : سایت بتن پلاست